Luftverschmutzung. Thema der Unterrichtsreihe:

August 24, 2017 | Author: Moritz Biermann | Category: N/A
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1 Westfälische Wilhelms-Universität Münster Institut für Didaktik der Chemie Seminar: Schulorientier...

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Westfälische Wilhelms-Universität Münster Institut für Didaktik der Chemie Seminar: Schulorientiertes Experimentieren Dozenten: Prof. Dr. G. Harsch, S. Musli Referenten: Ralf Brauer, Sonja Herglotz

Thema der Unterrichtsreihe:

Luftverschmutzung

Begründung der Themenwahl: Schon seit Jahrhunderten sind die Gefahren der Luftverschmutzung bekannt. Aus dem mittelalterlichen Zwickau ist beispielsweise überliefert, dass 1348 der Gebrauch von Steinkohle als Feuerungsmaterial in den Schmieden innerhalb des Stadtgebietes untersagt wurde. Jahrhunderte lang war die Luftbelastung aber nur von lokaler Bedeutung. Mit der industriellen Revolution änderten sich diese Verhältnisse aber grundlegend. Der Kohlenverbrauch erhöhte sich im Deutschen Reich in etwa 50 Jahren um das Dreizehnfache. Noch heute gilt das Ruhrgebiet als "Kohlenpott", was an geschwärzte Häuserfassaden und Ruß überzogene Bäume und Sträucher erinnert. Die Biologen wissen, dass dort die dunkel gefärbten Mutanten von Schmetterlingen die hellen Ausgangsformen fast vollständig verdrängt haben, da die Luftverschmutzung die Selektionsbedingungen geändert hatte: Auf den Kohlenstaub geschwärzten Sträuchern entdeckten die Fressfeinde der Insekten die helle Form leichter als die dunkle und dezimierten sie entsprechend. Auch wenn heutzutage in Deutschland solche offensichtlichen Luftverschmutzungen nicht mehr anzutreffen sind, so heißt das nicht, dass sich die Luftqualität entsprechend gebessert hat. Die meisten Schadstoffe lassen sich optisch nicht erkennen. Auch in Münster ist aktuell die Schadstoffbelastung an viel befahrenen Straßen oft so hoch, dass weitere Maßnahmen zur Luftverbesserung unternommen werden müssen (Zeitungsartikel vom 04.12.2007). Deshalb ist es wichtig, dass Kinder bzw. Jugendliche ein grundlegendes Verständnis von dieser Problematik insbesondere von den versch. Luftschadstoffen, deren Quellen und den Maßnahmen zur Luftverbesserung bekommen.

Aufbau der Unterrichtsreihe: Im Folgenden werden einige Überlegungen dargelegt, wie eine Unterrichtsreihe zum Thema „Luftverschmutzung“ aussehen könnte. Dabei wird so verfahren, dass alle Materialien im Anhang chronologisch zu den im Text aufgeführten Gedankengängen zu finden sind. Dementsprechend können diese teilweise direkt für den Unterricht verwendet werden. Die hier vorgestellte Unterrichtsreihe sollte in die Klassenstufe 10/11 eingegliedert werden, ggf. auch in Form eines Projekts im Rahmen einer Projektwoche. Um den großen Themenbereich erst einmal zu beschränken und die inhaltliche Gliederung zu vereinfachen, soll sich die

Reihe primär dem Thema Auto und Kfz-Abgasen widmen. Deshalb ist diese Reihe auch leicht erweiterbar und kann für größere Projekte genutzt werden. Um dieses Thema inhaltlich vertiefend behandeln zu können, sollten den Schülern grundlegend die Zusammensetzung der Luft, der Aufbau der kleinsten Teilchen (Atome und Moleküle), Redox-Reaktionen und Säure-Base-Reaktionen, bekannt sein. Ausgehend von einem allgemeinen Verständnis von Luftverschmutzung und Luftschadstoffen sollen die Schüler sich im Verlauf der Unterrichtsreihe vertiefend mit den einzelnen Schadstoffen von Autoabgasen und deren Einfluss auf Mensch und Umwelt beschäftigen. Abschließend soll durch einen kleinen Einblick in die Maßnahmen zur Verminderung von Abgasen das Umweltbewusstsein und die Bereitschaft zur Mithilfe geschärft werden. 1. Stunde: - Erarbeitung einer Mind-Map zum Thema Luftverschmutzung - Vorstellung der Hauptverursacher von Luftschadstoffen - Einschränkung auf Kfz-Abgase - Forscherauftrag: Wie viel CO2 erzeugt unser Auto? 2. Stunde: - Auswertung des Forscherauftrags - Sammeln anderer Schadstoffe aus Autoabgasen - Experiment: Nachweis von NOx in Auspuffgasen - Vorstellung der Luftschadstoffe in Autoabgasen - Hausaufgabe : Literatursuche für die Gruppenarbeit "Steckbrief zu einem Luftschadstoff" 3. und 4. Stunde - Erstellen der Steckbriefe in Form von Plakaten - Vorstellen der Steckbriefe der einzelnen Luftschadstoffe 5. und 6. Stunde - Auswerten von Tabellen und Abbildungen zu den Ursachen von Saurem Regen - Experiment: Herstellung von schwefliger Säure - Diskussion: Welche chemischen Prozesse stecken dahinter - Experiment: Die Wirkung von Saurem Regen auf Kalkstein - Diskussion: Welche chemischen Prozesse stecken dahinter

- Experiment: Die Auswirkung von Schadgasen auf Kresse - Diskussion: Was hat dieser Versuch mit saurem Regen zu tun? 7. und 8. Stunde. Die Folgen der Luftverschmutzung: Treibhauseffekt - Arbeitsblatt: Was passiert mit den Sonnenstrahlen - Experiment: Die Eignung verschiedener Gase als Treibhausgase - Arbeitsblätter zum Experiment - Allgemeine Diskussion zum Thema Treibhauseffekt Letzte Doppelstunde: - Besprechung eines Katalysators - Modellexperiment zum Abgaskatalysator - Sammeln von Strategien zur Verminderung von Kfz-Abgasen 1. Unterrichtsstunde: Einstieg in die Unterrichtseinheit Um den Einstieg in das sehr umfangreiche Thema "Luftverschmutzung" zu erleichtern, könnte mit Hilfe gesammelter Zeitungsartikel ein Mind-Map zu dem Thema erstellt werden. Das Zusammentragen der Informationen kann im Klassenverband stattfinden, um einen raschen Einstieg zu gewährleisten. Dabei muss der Lehrer nicht die Moderation übernehmen, dies könnte auch durch einen Schüler erfolgen. Andernfalls könnte auch als Sozialform Partneroder Gruppenarbeit gewählt werden. Durch die Mind-Map erhalten die Schüler einen Überblick über das gesamte Thema. Dieses wird dabei grob gegliedert und hierarchisiert und kann so den "roten Faden" des Unterrichts den Schülern verständlicher machen. Wird das Mind-Map auf einem Plakat erstellt, können im Laufe der Unterrichtsreihe noch Ergänzungen und Veränderungen vorgenommen werden und den Lernprozess erkennbar machen. Nach dem gemeinsam erarbeiteten Einstieg bietet es sich an, das Thema über die Quellen der Luftverschmutzung anzugehen. Die Schüler werden vom Lehrer über die Hauptverursacher der Luftverschmutzung unterrichtet. Dabei soll deutlich werden, dass es neben den vom Menschen verursachten auch natürliche Emissionen gibt, die einen nicht unerheblichen Teil der Luftschadstoffe produzieren. Im Anschluss sollen zwei Graphiken zu anthropogenen Emissionen gemeinsam besprochen und gedeutet werden, die den prozentuale Anteil verschiedenster Quellen zur CO2-Emission

in Deutschland und die Veränderung der CO2-Emission der einzelnen Quellen von 1990 2002 darstellen. Es zeigt sich, dass zwar die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung mit 43,5% die Hauptquelle der CO2-Emission in Deutschland ist, und in Industrie und Haushalt, sowie bei Verbrennungsvorgängen zum Antrieb von Fahrzeugen etwa 50% der anthropogenen Schadstoffemissionen erzeugt werden. Aber bei der Energieerzeugung und der Industrie ist der CO2-Ausstoß deutlich gesunken, wohingegen beim Verkehr der CO2-Ausstoß im Zeitraum sogar noch angestiegen ist! Gemeinsam werden die Gründe für diese Entwicklung gesucht und an der Tafel festgehalten. Die Erkenntnis kann dazu genutzt, den Themenbereich auf die vom Verkehr verursachten Emissionen einzuschränken. Als Überleitung zur nächsten Stunde kann als Hausaufgabe der Forscherauftrag "Wie viel CO2 erzeugt unser Auto?" gegeben werden (siehe Anhang). Hierbei können die Schüler mit Hilfe einer Formel den CO2-Ausstoß des Wagens der Eltern oder Geschwister berechnen und mit den Werten von den Mitschülern vergleichen. Die Hausaufgabe spannt mit der Berechnung des CO2-Ausstoßes von Kfz den Bogen von den Emissionen zu den Luftschadstoffen in Autoabgasen. 2. Unterrichtsstunde: Luftschadstoffe aus Kfz-Abgasen Als Einstieg in diese Unterrichtsstunde dient die Besprechung der Hausaufgabe. Jeder Schüler kann in die Tabelle (an der Tafel oder auf einer Folie) seine gesammelten Werte zu der CO2Emission des/der elterlichen Autos eintragen. Der Eintrag könnte dabei auch nicht sichtbar erfolgen, so dass nachher nicht bekannt ist, von welchem Schüler welcher Eintrag stammt. Damit wäre eventuellen Konflikte darüber, welches Elternhaus das meiste CO2 erzeugt, vorgebeugt. Um die Größe der CO2-Emission zu veranschaulichen, kann anschließend die Masse des ausgestoßenen CO2 in ein Volumen (in Litern) umgerechnet werden, so können sich die Schüler die Menge in Form von Tetrapacks leichter vorstellen. Nach Vergleich der Zahlenwerte kann das Problem in den Raum gestellt werden, dass Autos nicht nur CO2 als Luftschadstoff emittieren. In Partnerarbeit oder in Kleingruppen werden die Vorstellungen der Schüler zu den von Autos emittierten Schadstoffen an der Tafel oder auf einer Folie festgehalten. Da die Schüler sehr wahrscheinlich Kohlenstoffmonoxid und Staub als weitere Schadstoffe angeben können, kann der Lehrer, um die Thesen der Schüler zu ergänzen, beispielsweise das Experiment "Nachweis von NOx in Auspuffgasen" durchführen (siehe Anhang). Damit kann der Lehrer zeigen, dass neben den bekannten auch noch weitere

Schadstoffe in Autoabgasen enthalten sind und als Bestätigung die Folie "Zusammensetzung der schädlichen Auspuffgase" auflegen. Für den weiteren Verlauf der Unterrichtsreihe werden die Schüler in vier ggf. fünf Gruppen eingeteilt. Hierbei können je nach Klasse entweder die Gruppen von den Schüler frei gewählt werden oder durch die Lehrkraft vorgegeben werden, um problematische Gruppierungen zu umgehen oder bestimmte Schüler besser einzugliedern. Diesen Gruppen wird jeweils ein Schadstoff zugeteilt, über den sie sich als Hausaufgabe informieren und den sie nachher als "Experten" den anderen Schülern der Klasse präsentieren sollen. Schadstoffe können dabei Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Schwefeldioxid und Stickstoffdioxid sein; dies ist z.B. durch Kohlenwasserstoffe oder Ozon erweiterbar. Bei Klassen, die mit der Literatursuche vertrauter sind, können die Schüler dabei völlig selbstständig suchen. Bei anderen Klassen empfiehlt es sich vielleicht best. Bücher oder Internetadressen als Hilfestellung anzugeben oder Vorgaben zu machen, was nachher in den Steckbriefen über die Schadstoffe stehen muss. 3. und 4. Unterrichtsstunde: Luftschadstoffe aus Kfz-Abgasen Diese Doppelstunde dient der Erarbeitung der wesentlichen Merkmale der vier Schadstoffe Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Schwefeldioxid und Stickstoffdioxid, der Sicherung des Ergebnisses und dessen Vorstellung. Zu Beginn der ersten Stunde finden sich die Schüler in ihren Gruppen zusammen und arbeiten gemeinsam an ihrem Poster zu dem entsprechenden Luftschadstoff. Bei dieser Sozialform kann der Lehrer gezielt im Hintergrund bleiben und allerhöchstens in Problemfällen beratende Funktion einnehmen, da durch den Arbeitsauftrag schon deutlich werden muss, was genau herausgearbeitet werden soll. (Beispielsweise kann vorgegeben sein, dass Atom oder Molekül, Summenformel, Molare Masse, Dichte, evtl. Schmelz- und Siedepunkt und die Eigenschaften der Gase bei der Ausarbeitung angegeben werden müssen...) In der zweiten Stunde stellen die einzelnen Gruppen ihren Schadstoff den anderen Schülern der Klasse vor. Die entstandenen Plakate können im Chemieraum aufgehängt werden, damit im weiteren Verlauf der Unterrichtsreihe, wenn die Folgen der Luftverschmutzung besprochen werden, darauf zurückgegriffen werden kann.

2 Doppelstunden zum Themenkomplex „Folgen der Luftverschmutzung“ Die Unterrichtseinheit ist, ausgehend vom Grundthema „Luftverschmutzung“ und den vorher dargelegten Fakten, erweiterbar. Mögliche Themenfelder ergeben sich aus der am Anfang der Unterrichtseinheit gemachten Mind-Map und/oder aus tagespolitischen Gründen. Dementsprechend ist die Fülle der Themen sehr groß, so dass eine Auswahl unumgänglich wird. In Frage kommen z.B.: •

Ozon –

In der Stratosphäre: Ozonloch



In der Troposphäre (bodennah): Sommersmog



Wintersmog



Feinstaub



Saurer Regen



Treibhauseffekt

Der Lehrer sollte zum Einen darauf achten, dass die einzelnen Punkte in angemessener Form in einer Doppelstunde untergebracht werden können, zum Anderen ist es unabdingbar den Schülerinnen und Schülern Wissensgrundlagen zu vermitteln um öffentliche Diskussionen besser zu verstehen. Daher geht es nicht unbedingt darum, ein Thema vollständig zu erfassen, sondern die zentralen Aspekte anzusprechen und eventuelle Missverständnisse aufzuklären. Zu den oben aufgeführten Themenkomplexen, insbesondere zum Treibhauseffekt, fallen im täglichen Leben immer wieder zahlreiche Schlagworte, sei es in Tageszeitungen oder anderen Medien. Diese Präsenz kann auch für den Unterricht genutzt werden. Es bietet sich an den Schülern z.B. als Hausaufgabe den Auftrag zu geben Informationen über ein bestimmtes Thema zu sammeln. Dementsprechend können Zeitungsausschnitte mitgebracht oder im Internet recherchiert werden. Die Recherche im Internet stellt auch einen möglichen Baustein dar, welcher direkt im Unterricht eingebaut werden kann. Ist die dafür nötige Ausstattung vorhanden lassen sich zu allen Bereichen diverse Informationen finden und es existieren bereits einige „E-Learning“-Programme. In dieser Unterrichtsreihe wurden als Erweiterung die Themen „Saurer Regen“ und „Treibhauseffekt“ ausgewählt. Insbesondere das Thema „Ozon“ hätte sich auch sehr gut mit den vorigen Unterrichtsinhalten verbinden lassen, ist aber nur schwer in einer Doppelstunde zu behandeln, da vielfältige Reaktionen für ein grundlegendes Verständnis notwendig sind. Daher bietet sich das Thema „Ozon“ eher für eine eigene Unterrichtsreihe an, die dann als Grundlage für Erweiterungen dient.

5. und 6. Unterrichtsstunde: Saurer Regen Die Verbindung dieses Themas zu den vorigen Unterrichtsinhalten führt über die Autoabgase. Dazu sollte die vorher schon eingeführte Tabelle über die „Zusammensetzung der schädlichen Auspuffgase“ immer wieder aufgerufen werden, um den Zusammenhang zu verdeutlichen. Zur Verdeutlichung dienen aber auch die von den Schülern selbst erstellten Plakate. In diesem Fall bietet es sich allerdings an auch weitere anthropogene Quellen zu besprechen um zu verdeutlichen, weshalb Saurer Regen in Deutschland ein Problem war und aktuell in anderen Teilen der Welt ist. Hierzu können Tabellen zur Entwicklung der Emissionen pro Land und Zeit ausgewertet werden. Vorher sollten jedoch einfache Versuche durchgeführt werden, welche die chemischen Hintergründe des Phänomens „Saurer Regen“ aufklären, wie z.B. die Reaktion von Schwefeldioxid mit Wasser und die resultierende Farbänderung des Indikators. Anhand dieses Versuches können die Reaktionsgleichungen für die Reaktion mit den Schülerinnen und Schülern ermittelt und auf die Reaktion von Stickoxiden mit Wasser erweitert werden. Besprochen werden sollte allerdings auch, dass ähnliche Reaktionen mit dem in der Luft enthaltenen Kohlenstoffdioxid stattfinden und Regen daher immer leicht sauer ist. Als Basiskompetenzen für diesen Teil des Unterrichts sollte dementsprechend folgende Kenntnisse vermittelt werden: •

Was ist Saurer Regen, ab wann spricht man von Saurem Regen?



Welche chemischen Reaktionen laufen ab?



Wodurch kommt Saurer Regen zustande und in welchen Teilen der Welt ist Saurer Regen ein Problem?

Der zweite Teil des Unterrichts zum Thema „Saurer Regen“ könnte sich dann eher auf diese Leitfrage beziehen: •

Welche Folgen hat der Saure Regen auf die Umwelt?

Der Einstieg erfolgt wiederum mit einem Experiment, bei dem die Wirkung von Saurem Regen auf Kalkstein simuliert wird. Dabei bietet es sich an, dieses Experiment mit z.B. Fotos von geschädigten Statuen zu verbinden oder auf ein bekanntes Objekt in der Nähe hinzuweisen (Kölner Dom o. ä.). Anschließend wird noch ein Versuch zur Wirkung auf Pflanzen vorbereitet, welcher allerdings mindestens einen Tag stehen sollte. Dieser Versuch bildet den Abschluss zum Thema „Saurer Regen“ und bietet Anlass zur Diskussion, denn bei diesem Versuchsaufbau ist der Saure Regen in dem Sinne nicht sofort zu erkennen. Allerdings haben die Schülerinnen und Schüler in diesem Alter im Fach Biologie schon mehrfach den äußeren und inneren Aufbau

einen Blattes kennen gelernt, so dass in der Diskussion durchaus das Ergebnis herausgestellt werden kann, dass die Gase Schwefeldioxid und Stickoxide über Spaltöffnungen in das Blatt eindringen und dort im wässrigen Milieu reagieren. Dieser Versuch kann auch mit anderen Gasen durchgeführt werden, wie z.B. Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid. Die Wirkung von diesen Gasen auf Pflanzen verbindet wichtige Kenntnisse aus der Biologie zum Thema „Fotosynthese“ bzw. „Zellatmung“. In dieser Unterrichtsreihe wurde sich auf diese beiden Experimente beschränkt, um den Rahmen einer Doppelstunde nicht zu sprengen. Allerdings finden sich in der Literatur weitere Experimente zur Wirkung von Saurem Regen auf z.B. Metalle oder Böden. 7. und 8. Unterrichtsstunde: Der Treibhauseffekt Der Begriff „Treibhauseffekt“ ist heute jedem bekannt. Fast täglich erreichen einen neue Meldungen über Temperaturrekorde und anderen so genannten Klimakatastrophen. Dieses Phänomen der Klimaerwärmung wird häufig dem Treibhauseffekt zugeschrieben, der dadurch einen eindeutig negativen Charakter erhält. Oft sind die Kenntnisse jedoch nicht ausreichend um derartige Meldungen kritisch zu hinterfragen und sich seine eigene Meinung zu bilden. Dementsprechend sind die Ziele dieses Exkurses in Form von einer Doppelstunde die Klärung folgender Fragen: •

Was ist der Treibhauseffekt und welche Gase sind für diesen verantwortlich?



Welche Prozesse bedingen den Treibhauseffekt?

Zu Beginn der Doppelstunde sollte aufgefrischt werden, was mit der Sonnenstrahlung passiert, wenn diese auf die Erde trifft. Dazu eignet sich ein Arbeitsblatt mit einem Schaubild, welches die Schülerinnen und Schüler ausfüllen, indem sie verschiedenen Textbruchstücken eine Nummer analog den Pfeilen im Schaubild zuordnen. Somit müssen sich die Schülerinnen und Schüler aktiv mit der Thematik auseinandersetzen, dies ist einer frontalen Darstellung von Fakten vorzuziehen. Anhand dieses Schaubildes sollte diskutiert werden, ob das Modell eines Treibhauses perfekt ist, bzw. Was die Realität vom Modell unterscheidet. Wichtig ist dabei, dass die Schüler begreifen, dass das Glas die Treibhausgase zwar simuliert aber ganz andere Eigenschaften aufweist als diese. Genannt werden sollte hier, dass das Glas eines Treibhauses auch warme Luftströme aufhält, nicht jedoch die „Treibhausgase“ in der Atmosphäre. Dementsprechend ist das Modell keineswegs perfekt. Nun folgt ein Versuch, welcher die Fähigkeiten verschiedener „Gase“ zeigt als Treibhausgas zu wirken. Der Versuchsaufbau ist sehr einfach, es werden jedoch immer sehr gute Ergebnisse

erzielt, so dass die Schülerinnen und Schüler die Rolle der Treibhausgase besser verstehen können. Nach diesem Versuch soll die verbleibende Zeit für Diskussionen genutzt werden, dabei stehen die erlangten Ergebnisse im Vordergrund. Die Schülerinnen und Schüler sollten sich Gedanken darüber machen, ob diese Ergebnisse ihren Vorstellungen entsprechen und warum in der Klimadiskussion fast ausschließlich über Kohlenstoffdioxid als Treibhausgas gesprochen wird. Der Lehrer fungiert als Diskussionsleiter und steuert die Diskussion durch geeignete Stichworte. Ergebnis dieser Diskussion sollte unter anderem die Erkenntnis sein, dass der Treibhauseffekt an sich nicht so negativ ist, wie dieser in den Medien dargestellt wird, sondern für unser aller Leben die Voraussetzung ist. Dazu sollten die frühen Erkenntnisse des schwedischen Chemikers Arrhenius (1896) bezüglich der Rolle verschiedener Treibhausgase beim natürlichen Treibhauseffekt einfließen. 9. und 10. Unterrichtsstunde: Verminderung von Kfz-Abgasen Diese Doppelstunde soll das Thema abschließen und jeden Schüler dazu veranlassen, sich selbst kritisch mit den allgemeinen Vorschlägen zur Verminderung von Kfz-Abgasen und insbesondere mit den eigenen Verkehrsgewohnheiten auseinander zu setzten. In der ersten Stunde wird eine Form der Schadstoffreduzierung von Kfz-Abgasen behandelt, die bereits genutzt wird: der Drei-Wege-Katalysator. Der Lehrer entwickelt mit Hilfe von Folien ein Lehrer-Schüler-Gespräch über den groben Aufbau und die Funktionsweise des Katalysators. Anschließend können die Schüler das neu erworbene Wissen auf einem Arbeitsblatt festhalten (siehe Anhang). Die letzten beiden Fragen dienen dabei zur Einleitung in die nächste Stunde, in der es um weiterführende Überlegungen zur Reduzierung der Schadstoffbelastung durch Autoabgase geht. Zu zweit (oder als Kleingruppe) sollen sich die Schüler mit den Aufgaben "Überlege dir mit deinem Banknachbarn, wie in Zukunft die Schadstoffbelastung durch Autoabgase weiter reduziert werden kann!" und "Was könnt ihr selbst dazu beitragen, damit die Schadstoffbelastung durch Autoabgase weiter verringert wird?" beschäftigen. Die Antworten können zur Ergebnissicherung an der Tafel oder einem Plakat gesammelt werden. Es können aber auch Zweiergruppen gebildet werden, die sich entweder mit der vierten oder der fünften Aufgabe auseinandersetzten. Danach werden neue Gruppen mit Mitgliedern aus beiden Parteien gebildet, in denen immer ein Schüler dem anderen darüber berichtet, was vorher zu der entsprechenden Frage ausgearbeitet wurde und eventuell Neues hinzugefügt. Wenn sich die alten Gruppen wieder zusammen finden, können die Tabellen oder Mind Maps ab-

schließend ergänzt werden und später im Chemieraum oder Klassenzimmer aufgehängt werden. Diese Unterrichtsmethode fördert sehr die Kommunikation und damit das Arbeitsklima der Klasse bzw. des Kurses. Da diese Stunde die Diskussion zu dem Thema Luftverschmutzung anregen und die Beschäftigung damit fördern soll, ist diese Methode bestens zur Realisierung dieser Ziele geeignet. In der 9. Unterrichtsstunde könnte auch ein Versuch zum Autoabgaskatalysator durchgeführt werden, der allerdings ziemlich aufwendig ist und somit nicht in den Stundenentwurf aufgenommen wurde. Der Versuch ist (mit Abwandlungsmöglichkeiten) aber im Anhang aufgeführt, falls noch Zeit innerhalb der Unterrichtsreihe oder dem Projekt dafür sein sollte.

Anhang

Folie

Luftschadstoffe Bei den Luftverunreinigungen wird zwischen Emissionen und Immissionen unterschieden: Luftschadstoffe gelangen als Emissionen in die Atmosphäre (lat. emissio: das Herausschicken, Ausströmen lassen). Sie werden z.B. von Heizkraftwerken, von Müllverbrennungsanlagen und Privathäusern oder von Autos in die Luft abgegeben. Sie wandeln sich unter Einwirkung von Licht, Wärme, Luftfeuchtigkeit und chemischen Luftbestandteilen in der Luft um und verteilen sich durch den Transport in der Luft über Ländergrenzen hinaus. weit von ihrem Ursprung entfernt können sie als Immissionen nieder gehen (lat. immissio: das Hineinlassen) z.B. als Ablagerung auf der Bodenoberfläche. Diese so genannten Depositionen können nass (durch Niederschläge bedingt) oder trocken sein. Die tatsächlich auf den Menschen in seinem Lebensbereich einwirkenden Schadstoffe sind also die Immissionen!

Folie

Quellen von Emissionen Die Quellen von Emissionen können in zwei Gruppen eingeteilt werden: man unterscheidet natürliche Emissionen und Emissionen, die direkt im Ergebnis menschlicher Tätigkeit auftreten (anthropogene Emissionen).

Natürliche Emissionen Bei Vulkanausbrüchen gelangen riesige Mengen an Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid, Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff in die Atmosphäre. Daneben werden auch noch organische Stoffe, wie Methan, Alkohole, Aldehyde und FCKW freigesetzt. Asche und Staub von Vulkanen enthalten meist Arsen-, Quecksilber- und Fluorverbindungen. Bsp.: Vulkan El Chinchon (Mexiko 1982) 500 Mio t Aschestaub, 70.000 t HF, 40.000 t HCl, rad. Thorium In den sehr heißen Entladungszonen von Blitzen entstehen Stickstoffoxide, und durch die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen (in Sümpfen, im Meeresplankton und den Därmen von Tieren) bilden sich unter anderem Methan, Monochlormethan, Schwefelverbindungen, Stickstoffoxide und Kohlenstoffdioxid. Die weltweit gehaltenen ca. 1,3 Milliarden Rinder erzeugen etwa 12% der weltweiten Methanemissionen.

Folie

CO2-Emissionen in Deutschland (2002)

Arbeitsblatt Luftverschmutzung Chemie

07.01.2008

Forscherauftrag: Wie viel CO2 erzeugt unser Auto? Fragt Eltern und Geschwister, wie viele Kilometer ihr Auto im vergangenen Jahr gefahren wurde (km/J) und wie viel Liter Benzin oder Diesel es pro 100 Kilometer durchschnittlich verbraucht hat (BV). Tragt die Werte in die Tabelle ein und ergänzt den Emissionswert (se) für den entsprechenden Motortyp! Ottomotor: se Otto = 2,32 kg CO2/l, Dieselmotor: se Diesel = 2,63 kg CO2/l, Erdgasmotor: se Erdgas = 2,23 kg CO2/kg Erdgas Beispiele: Auto

Kilometer pro Verbrauch in Benziner oder CO2-Ausstoß CO2-Ausstoß Jahr (km/J) l/100 km (BV) Diesel? pro Liter (se) pro Jahr in kg

VW Lupo

12.500

3,0

Benziner

Opel Astra (1,4 12.500 l, 90 PS) Ford Fiesta 12.500 (1,4 l, 68 PS) Opel Zafira 12.500 (1,6 l, 97 PS)

6,3

Benziner

4,4

Diesel

4,98 kg

Erdgas

Den CO2-Ausstoß errechnet ihr mit der Formel:

2,32 kg/l

S = km/J ⋅ BV ⋅ seMotortyp/100

Lehrerversuch

Nachweis von NOx ( CO2 und CO ) in Auspuffgasen Geräte: - Luftballon oder Plastiktüte, - Kolben oder großes Reagenzglas mit durchbohrtem Stopfen und Glasrohr Chemikalien: - Sulfanilsäure - N-(Naphthyl)-ehylendiamin-hydrochlorid - Eisessig - dest. Wasser (Zum Nachweis von CO2 Baryt-/Kalkwasser bzw. ammoniakalische Silbernitratlösung als CO-Nachweis) Herstellung des Saltzmann-Reagenzes: 0,5 g Sulfanilsäure und 0,005 g N-(Naphthyl)-ehylendiamin-hydrochlorid löst man in 5 ml Eisessig. Danach gibt man 100 ml dest. Wasser zu. Das Reagenz muss frisch hergestellt und nach der Entnahme stets wieder verschlossen werden, da es leicht mit den Stickoxiden aus der Luft reagiert. Anmerkung: Es ist umstritten, ob Naphthyl-(I)-amin krebserregend ist. Alternativ können N[Naphthyl(1)]ethylen-diammoniumdichlorid oder N[Naphthyl(1)]ethylen- hydrochlorid verwendet werden. Durchführung: Die Autoabgase werden in einem vorgedehnten Luftballon oder mit einer Plastiktüte aufgenommen und in einen Kolben mit dem entsprechenden Reagenz eingeleitet. Der Kolben wird verschlossen und gut geschüttelt. Beobachtung: Die Lösung färbt sich nach kurzer Zeit rosa. Hintergrund: Beim Einleiten der Abgase mit Stickoxiden in dest. Wasser entsteht durch Disproportionierung Salpetersäure (HNO3) und Salpetrige Säure (HNO2): 2 NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 Die sich bildenden Nitritionen (NO2-) können mit dem Saltzmann-Reagenz durch eine Farbreaktion nachgewiesen werden. Nitrit reagiert in saurer Lösung zum Nitrosylkation. NO2- + 2 H+ → NO+ + H2O

Lehrerversuch

Durch das Nitrosylkation werden Sulfanilsäure und Naphtyl-(1)-amin zu einem rotvioletten Azofarbstoff gekuppelt: Zunächst findet ein Diazotierungsreaktion statt, bei der aus einem primären Amin ein Diazoniumion entsteht. Dann folgt eine elektrophile Substitution, bei der das Diazoniumion an einen Aromaten gekoppelt wird. Diese Reaktion nennt man Azokupplung. Es entsteht ein Azofarbstoff, dessen Farbtiefe dem Stickstoffoxidgehalt proportional ist.

Beispielhafte Steckbriefe der Luftschadstoffe

Luftschadstoffe Die Abgase eines Autos bestehen vor allem aus Stickstoff, Wasserdampf, Sauerstoff und Wasserstoff. Von 100 L Abgas sind etwa 10 l Schadgase:

Zusammensetzung der schädlichen Auspuffgase (Ottomotor) CO2

87,6Vol%

CO

10,3

NOx

0,6

SO2

0,06

CH

1,7

Aldehyde

0,4

Kohlenstoffdioxid -

Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff Summenformel CO2 Molare Masse 44 g/mol Dichte 1,98 kg·m–3 Schmelzpunkt –56,6 °C Siedepunkt –78,5 °C (Sublimation) CO2 ist ein farbloses, geruchloses und ungiftiges Gas CO2 ist nicht brennbar (Verwendung in Feuerlöschern) Es entsteht durch die Verbrennung von Kohlenstoff

- In Wasser löst es sich unter Bildung von Kohlensäure: CO2 + H2O → H2CO3 - Nachweis: Kalkwasserprobe CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O - CO2 ist mit ca. 0,04% natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre - CO2 verhindert, dass die auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenenergie wieder durch Wärmeabstrahlung in den Weltraum verloren geht. Die vom Menschen emittierten Treibhausgase verursachen eine nachteilige Verstärkung dieses Effekts → Treibhauseffekt - In verdünnter Form mit Luft ist Kohlenstoffdioxid völlig ungiftig. Zu hohe Gehalte in der Atemluft sind jedoch gefährlich.

Kohlenstoffmonoxid -

Kohlenstoffmonoxid ist eine chem. Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff Summenformel CO Molare Masse 28 g/mol Dichte 1,25 kg·m−3 Schmelzpunkt −205,07 °C Siedepunkt −191,55 °C

- CO ist ein farb- und geruchsloses Gas - Hochentzündlich und giftig - Es entsteht bei unvollständiger Verbrennung von organischen Verbindungen: CO selbst ist brennbar und verbrennt mit blauer Flamme zusammen mit Sauerstoff zu CO2 - CO ist ein Atemgift, da es die Sauerstoffaufnahme des Blutes verhindert: Es bindet etwa 210mal stärker an den roten Blutfarbstoff als Sauerstoff.

Schwefeldioxid -

Schwefeldioxid ist das Anhydrid der schwefligen Säure H2SO3 Summenformel SO2 Molare Masse 64 g/mol Dichte 2,73 kg·m−3 Schmelzpunkt −75 °C Siedepunkt -10°C

- SO2 ist ein farbloses, stechend riechendes und sauer schmeckendes, giftiges Gas - SO2 entsteht vor allem bei der Verbrennung von schwefelhaltigen fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdölprodukten - SO2 trägt in erheblichem Maß zur Luftverschmutzung bei: Es ist der Grund für sauren Regen H2O + SO2 → SO2 (gelöst) → H2SO3

Stickstoffdioxid -

Stickstoffdioxid ist ein rotbraunes, stechend chlorähnlich riechendes Gas Summenformel NO2 Molare Masse 46 g/mol Dichte 3,66 g/l Schmelzpunkt -11,2°C Siedepunkt 21,2°C

- NO2 ist ein rotbraunes, stechend chlorähnlich riechendes und sehr giftiges Gas - NO2 kommt als Spurengas in der Atmosphäre mit den höchsten Werten in Bodennähe vor (Ozon- und Smogbildung) - Entstehung des Sauren Regens: Bildung von Salpetersäure 2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 - Reizung und Schädigung der Atmungsorgane, Inhibition der Atmungskette

Beispiele für Tabellen und Abbildungen zur Auswertung:

Emissionen an SO2 im Jahr 2000 für verschiedene Staaten. Quelle: http://www.atmosphere.mpg.de/enid/8d0244b368dd8cbfcdf42d82623948ec,0/3_Saurer_Regen/_Was_ist_das_420.html

Schwefeldioxid Emissionen in Deutschland. Quelle: http://www.envit.de/umweltdaten/public/document/downloadImage.do;jsessionid=9E0113EF168F3BCFA7699DD688C41089?i dent=9262

Quellen und Auswirkungen des sauren Regens und anderer Arten der sauren Deposition. Quelle: http://www.atmosphere.mpg.de/enid/8d0244b368dd8cbfcdf42d82623948ec,0/3_Saurer_Regen/_Quellen_42r.html

Versuch: Entwickeln von SO2 aus Natriumdisulfit Schülerversuch; 5 min (bei fertigem Aufbau). Grundlage Natriumdisulfit reagiert mit Schwefelsäure wie folgt: Na2S2O5 + H2SO4 ———> Na2SO4 + H2O + 2 SO2 Geräte Gasentwicklungsapparatur (Saugflasche oder Zweihalskolben mit Gasableitungsrohr und Tropftrichter, Schlauchverbindung), Stativmaterial. Chemikalien Natriumdisulfit (Xi), Schwefelsäure (w = 10 %.) (C). Durchführung Man tropft vorsichtig Schwefelsäure auf das feste Disulfit. Es bildet sich Schwefeldioxid. Entsorgung Chemikalien nach Neutralisation in den Ausguss geben.

Versuch: Bildung von schwefliger Säure Schülerversuch, 5 min. Geräte

Apparatur zur Darstellung von Schwefeldioxid (siehe oben), Schlauchverbindungen, Waschflasche. Chemikalien Natriumdisulfit (Xi), Schwefelsäure (w = 10 %) (C), Universalindikatorlösung, verd. Natronlauge (Xi). Durchführung Fülle die Waschflasche zu einem Drittel mit Wasser und füge etwas Universalindikatorlösung hinzu. Die Farbe des Wassers muss jetzt grün sein (pH-Wert um 7); ggf. gibst du einen Tropfen Natronlauge zu. Beim Einleiten von Schwefeldioxid färbt sich die Lösung hellrot. Quelle: http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/so2_02.htm

Hintergründe zum Versuch



Gelangt Schwefeldioxid in Wasser, bildet es eine saure Lösung, die Schweflige Säure:



Die Schwefelige Säure bildet in Wasser H+(aq)-Ionen und es entstehen zwei Arten von Säurerestanionen:



Schweflige Säure reagiert zu einem Proton und einem Hydrogensulfition.



Ein Hydrogensulfition reagiert zu einem Proton und einem Sulfition.



Bei der Verbrennung von Schwefel und auch bei Oxidationsreaktionen in der Luft entsteht nicht nur Schwefeldioxid, sondern auch Schwefeltrioxid. Schwefeltrioxid bildet mit Wasser zunächst Schwefelsäure:





Auch die Schwefelsäure zerfällt bei Zugabe von weiterem Wasser in Protonen und Säurerestanionen.



Schwefelsäure reagiert zu einem Proton und einem Hydrogensulfation.



Ein Hydrogensulfation reagiert zu einem Proton und einem Sulfation.



Ähnliche Reaktionen finden auch mit Stickoxiden und Kohlenstoffdioxid statt:



Stickoxide:



Kohlenstoffdioxid:



Dadurch beträgt der pH-Wert des unbelasteten Regens bereits 5,6. Erst bei einem pH-Wert unter 5,6 kann man deshalb von Saurem Regen sprechen.

Versuch:

Auswirkungen des Sauren Regens auf Kalkstein • • • •

Geräte/Materialien: Erlenmeyerkolben, Becherglas (100ml), Doppelwinkelrohr, durchbohrter Stopfen, Kalkstein (Marmorstückchen). Chemikalien: Verdünnte Schwefelsäure (etwa 5%ig), Kalkwasser

Hintergründe: Wirkung von Saurem Regen auf Gebäude und Statuen •

Das Calciumcarbonat reagiert mit den gelösten Wasserstoffionen im sauren Regen:



CaCO3 + 2H+ → CO2 +H2O + Ca2+



Dann reagieren die Sulfationen der Schwefelsäure mit den Calciumionen und überziehen den Marmor oder Kalkstein mit einer weißen Schicht von Gips:



Ca2+ +SO42− + 2H2O → CaSO4 + 2H2O

Versuch: Vergiftung von Kresse durch Schadgase Verändert nach Prof. Blume, Quelle: http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/a-v-n12.htm Schülerversuch; 45 min. Die Ergebnisse sind erst nach einigen Tagen sicher zu beurteilen.

Geräte Einmachglas mit Deckel Chemikalien und Material Kressepflänzchen oder anderes empfindliches Pflanzenmaterial. Dazu Chemikalien zur Herstellung der Gase entsprechend den folgenden Vorschriften: Herstellung von NO2 durch Erhitzen von Bleinitrat Schülerversuch; 5 min. Geräte Schwerschmelzbares Reagenzglas mit passendem durchbohrten Stopfen und gebogenen Gasableitungsrohr, Schlauch, Stativmaterial, Kolbenprober, ggf. vorbereitete Glasampulle mit Füllspitze zum Zuschmelzen. Chemikalien Bleinitrat (T). Durchführung (Abzug!) Gib in ein Reagenzglas mit Gasableitung soviel Bleinitrat, dass es etwa 5 cm hoch gefüllt ist. Dann erhitzt du kräftig. Wenn die rotbraunen Dämpfe austreten, schließt du einen trockenen Kolbenprober an und füllst ihn mit dem Gas. Während das Gas den Kolben herausschiebt, muss dieser leicht gedreht werden, damit er sich nicht festsetzt. Willst du für die Untersuchung des NO2/N2O4-Gleichgewichts Glasampullen mit NO2 füllen, so muss das Ableitungsrohr zu einer langen Spitze ausgezogen werden. Dieses ragt möglichst tief in die Öffnung der Ampulle. Noch während des Einleitens von NO2 wird die Ampullenspitze mit scharfer Flamme zugeschmolzen, während gleichzeitig die lange Spitze herausgezogen wird. Entsorgung Das benutzte Glas mit der Bleinitratschmelze wird nach Abkühlung in die Sammlung gestellt. Denn es kann jederzeit wieder zur Herstellung von Stickstoffdioxid genutzt werden. Ansonsten in den Schwermetallabfall geben. Quelle: http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/a-v-n03.htm

Entwickeln von SO2 aus Natriumdisulfit Schülerversuch; 5 min (bei fertigem Aufbau). Grundlage Natriumdisulfit reagiert mit Schwefelsäure wie folgt: Na2S2O5 + H2SO4 ———> Na2SO4 + H2O + 2 SO2 Geräte Gasentwicklungsapparatur (Saugflasche oder Zweihalskolben mit Gasableitungsrohr und Tropftrichter, Schlauchverbindung), Stativmaterial. Chemikalien Natriumdisulfit (Xi), Schwefelsäure (w = 10 %.) (C).

Durchführung Man tropft vorsichtig Schwefelsäure auf das feste Disulfit. Es bildet sich Schwefeldioxid. Entsorgung Chemikalien nach Neutralisation in den Ausguss geben. Quelle: http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/so2_01.htm

Durchführung Vorsicht beim Abfüllen der Gase. Lasse dich von deinem Lehrer beraten oder dir helfen! Stelle jeweils eine Gruppe von kleinen, gesunden Kressepflänzchen, die in Watte oder einem anderen festen Substrat gewurzelt haben, in die Einmachgläser und sorge dafür, dass sie für einige Tage ausreichend mit Leitungswasser bewässert sind. Fülle anschließend die Schadgase in die Einmachgläser und verschließe sie. Zum Vergleich lässt du ein Einmachglas ohne Schadgaszusatz. Die Einmachgläser musst du an einen hellen Platz stellen, dabei aber direktes Sonnenlicht vermeiden. Bedenke, dass eventuell, wenn du nicht in der Schule bist, die Nachmittagssonne die Erlenmeyerkolben aufheizen könnte und dabei die Pflänzchen aufgrund zu großer Hitzeentwicklung geschädigt werden. Manche Gase wirken schon nach kurzer Zeit. Die Reaktion erkennst du daran, dass sich die Blätter gelb färben. Lasse die Pflanzen ruhig einige Tage in der Atmosphäre stehen und beurteile, ob und wie die Gase wirken.

Abb.: Wirkung von SO2 und NOX auf Kresse. Selbst erstellt.

Stichworte zur Wirkung der Gase auf Pflanzen: • Dringt SO2 durch die Spaltöffnungen ins innere der Pflanzen ein, reagiert es dort mit Wasser unter Bildung von Schwefliger Säure. • → wirkt sich u. a. negativ auf Enzymaktivitäten aus. • → insbesondere bei der CO2-Fixierung → Ribulose-1,5-bisphosphatcarboxylase • Hinzu kommen sehr viele weitere komplizierte Wirkungen. • Stickoxide greifen u. a. Membranen der Pflanzen an und ändern somit ihre Durchlässigkeit. • Wie bei SO2 ist auch NOX für die Ansäuerung verschiedener Zellkompartimente verantwortlich, was Funktionsstörungen zur Folge hat.

Arbeitsblatt: Ordne den Nummern den richtigen Text zu! Der Anteil des Sonnenlichtes, der die Erde erreicht, erwärmt ihre Oberfläche. Die Erde sendet langwellige Strahlen (Wärmestrahlen) zurück.

Nr. Die Aufnahme von Licht (Absorption) erfolgt nicht nur an der Erdoberfläche. Auch die Gasmoleküle und Partikel in der Luft absorbieren Sonnenlicht. Die Erde nimmt nicht die gesamte Sonnenenergie auf, sondern reflektiert einen gewissen Anteil. Reflexion bedeutet, die Strahlung wird zurückgeschickt, ohne dass sich die Erde erwärmt. Besonders sehr helle Oberflächen (z.B. Eis und Schnee) sind sehr gute Reflektoren. Die Sonne ist Quelle aller Strahlung und Energie, die vom Weltall aus die Erde erreicht. Die von der Sonnenstrahlung erwärmte Erdoberfläche ist eine Quelle von Wärmestrahlung (langwelliger Infrarotstrahlung). Ein Teil der Infrarotstrahlung geht direkt zurück ins Weltall, aber dieser Anteil ist klein. Ein Teil des Sonnenlichtes erreicht die Erdoberfläche mit all ihren verschiedenen Landschaften: Wälder, Ozeane, Wüsten, Savanne, Städten, Eis und Schnee. Ein Teil von dieser Energie wird benötigt, um Wasser zu verdunsten. Reflexion erfolgt aber nicht nur an der Erdoberfläche. Das Licht wird teilweise schon an der Oberseite der Wolken reflektiert, kleinere Anteile auch von Aerosolen. Schließlich befinden sich verschiedenste Gase und Partikel in der Luft, die, die InfrarotStrahlung absorbieren. Diese Gase werden Treibhausgase genannt. Sie halten die Energie der Wärmestrahlung in der Nähe der Erdoberfläche fest. Wolken reflektieren nicht nur das Sonnenlicht. Sie absorbieren auch die Strahlung der Erde und strahlen wieder zurück.

Lösungen Arbeitsblatt: Ordne den Nummern den richtigen Text zu! Der Anteil des Sonnenlichtes, der die Erde erreicht, erwärmt ihre Oberfläche. Die Erde sendet langwellige Strahlen (Wärmestrahlen) zurück.

Nr. 5

Die Aufnahme von Licht (Absorption) erfolgt nicht nur an der Erdoberfläche. Auch die Gasmoleküle und Partikel in der Luft absorbieren Sonnenlicht.

3

Die Erde nimmt nicht die gesamte Sonnenenergie auf, sondern reflektiert einen gewissen Anteil. Reflexion bedeutet, die Strahlung wird zurückgeschickt, ohne dass sich die Erde erwärmt. Besonders sehr helle Oberflächen (z.B. Eis und Schnee) sind sehr gute Reflektoren.

1

Die Sonne ist Quelle aller Strahlung und Energie, die vom Weltall aus die Erde erreicht.

6

Die von der Sonnenstrahlung erwärmte Erdoberfläche ist eine Quelle von Wärmestrahlung (langwelliger Infrarotstrahlung).

8

Ein Teil der Infrarotstrahlung geht direkt zurück ins Weltall, aber dieser Anteil ist klein.

2

Ein Teil des Sonnenlichtes erreicht die Erdoberfläche mit all ihren verschiedenen Landschaften: Wälder, Ozeane, Wüsten, Savanne, Städten, Eis und Schnee.

7

Ein Teil von dieser Energie wird benötigt, um Wasser zu verdunsten.

4

Reflexion erfolgt aber nicht nur an der Erdoberfläche. Das Licht wird teilweise schon an der Oberseite der Wolken reflektiert, kleinere Anteile auch von Aerosolen.

10

Schließlich befinden sich verschiedenste Gase und Partikel in der Luft, die, die InfrarotStrahlung absorbieren. Diese Gase werden Treibhausgase genannt. Sie halten die Energie der Wärmestrahlung in der Nähe der Erdoberfläche fest.

9

Wolken reflektieren nicht nur das Sonnenlicht. Sie absorbieren auch die Strahlung der Erde und strahlen wieder zurück.

Arbeitsblatt A

Arbeitsblatt B

Arbeitsblatt A: Lösungen

Arbeitsblatt B: Lösungen

Zusätzliche Informationen in Stichwortform: •

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Schwedische Chemiker Arrhenius (1896): – eine Atmosphäre, die nur aus Sauerstoff, Stickstoff und Edelgasen besteht, müsste durchschnittlich -18 °C kalt sein. – Erdoberfläche: durchschnittliche Temperatur +15 °C. – Unterschied = 33 °C. Man unterscheidet einen "natürlichen" von einem "anthropogenen" Treibhauseffekt. Die Verursacher des natürlichen Effekts von +33 °C sind:

Folie

Drei-Wege-Katalysator

Arbeitsblatt Der Katalysator Chemie

07.01.2008

Die meisten Autos sind heutzutage mit einem Katalysator ausgestattet, der die Autoabgase für Mensch und Umwelt weniger schädlich macht. Ungefähr 90 % der schädlichen Gase werden in weniger schädliche umgewandelt. Hier sind einige der Gase, die in den Katalysator hineingehen, den ausgestoßenen Gasen gegenübergestellt.

Aufgaben: 1. Nenne anhand der Informationen in der obigen Abbildung ein Beispiel, auf welche Weise ein Katalysator Abgase weniger schädlich macht. 2. Im Inneren des Katalysators werden Gase verändert. Erkläre, was mit den Atomen und Molekülen passiert. 3. Übenehme die Reaktionsgleichungen in dein Heft, vervollständige und gleiche sie aus: _ CO + _O2 → _ ____ _ NO + _ CO → N2 + _ CO2 _ C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 ____ 4. Überlege dir mit deinem Banknachbarn, wie in Zukunft die Schadstoffbelastung durch Autoabgase weiter reduziert werden kann! 5. Was könnt ihr selbst dazu beitragen, damit die Schadstoffbelastung durch Autoabgase weiter verringert wird?

Antworten zum Arbeitsblatt Der Katalysator Chemie

07.01.2008

Aufgaben: 1. Nenne anhand der Informationen in der obigen Abbildung ein Beispiel, auf welche Weise ein Katalysator Abgase weniger schädlich macht. Es sollte die Umwandlung von Kohlenmonoxid oder Stickoxiden in andere Verbindungen erwähnt werden. • Kohlenmonoxid wird in Kohlendioxid umgewandelt. • Stickoxide werden in Stickstoff umgewandelt. • Schädliche Substanzen wie Kohlenmonoxid und Stickoxide werden in weniger schädliche wie Kohlendioxid und Stickstoff umgewandelt. 2. Im Inneren des Katalysators werden Gase verändert. Erkläre, was mit den Atomen und Molekülen passiert. Die Grundidee, dass Atome neu gruppiert werden und andere Moleküle bilden, ist wichtig! • Moleküle brechen auseinander und Atome werden neu kombiniert, um andere Moleküle zu formen. • Die Atome ordnen sich neu an, um andere Moleküle zu bilden. 3. Im Katalysator finden Redox-Reaktionen statt, bei denen die Schadstoffe zu unbedenklicheren Verbindungen reagieren: 2 CO + O2 → 2 CO2 2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2 2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O

Anregungen zur abschließenden Diskussion

Verminderung von Kfz-Abgasen

Zur Verringerung der Schadstoffausstöße von Fahrzeugen gibt es verschiedene Möglichkeiten: - Die Abgase müssen (wie besprochen) katalytisch nachverbrannt werden - Die Verbrennungsbedingungen im Motor müssen so gestaltet bzw. verändert werden, dass bei der Verbrennung möglichst wenig Schadstoffe entstehen - Die Motoren müssen mit alternativen Energieträgern angetrieben werden, die wenige oder gar keine Schadstoffe produzieren - Eine Obergrenze für CO2-Ausstoß kann festgelegt werden; bei Nichteinhaltung drohen Strafen → „Innovationsfeuerwerk der Industrie“ - Die öffentlichen Verkehrsmittel sollten mehr ausgebaut werden, damit sie eine Alternative zum Auto darstellen...

Was kann ich tun?

- Bei kürzeren Strecken mit dem Fahrrad statt mit dem Auto fahren - Autos besser auslasten: Fahrgemeinschaften gründen - Wie viele Autos braucht eine vierköpfige Familie wirklich? - Bei längeren Strecken die Alternativen checken: Auto, Bahn oder Flugzeug (UmweltMobilCheck bei der Bahn) ...

Anregungen zur abschließenden Diskussion

Modellversuch zum Autoabgaskatalysator Geräte Kolben mit seitlichem Ansatz, Gasentwicklungsapparatur, 3 Kolbenprober, Magnetrührer oder Heizplatte, Bechergläser, Thermometer, Verbrennungsrohr (Quarz) mit möglichst geringem Durchmesser, Platinnetz oder gebrauchter Katalysator, Brenner, 2 durchbohrte Stopfen mit Glasrohren, Schlauchverbindungen, Stativmaterial. Chemikalien - Stickoxide (Herstellung durch Reaktion zwischen Kupfer und halbkonz. Salpetersäure) und - Kohlenstoffmonooxid (Herstellung durch Einwirken von konz. Schwefelsäure auf Ameisensäure oder Natriumformiat) - oder Autoabgase - Kalkwasser - ammoniakalische Silbernitratlösung (Herstellung durch Zutropfen von Ammoniaklösung zu Silbernitratlösung bis sich der braune Niederschlag gerade wieder auflöst)

Versuchsaufbau zur katalytischen Nachverbrennung

Durchführung Man füllt in zwei Kolbenprober erst 10 ml Stickoxid, dann 90 ml Kohlenstoffmonooxid. Dazu sind die zwei Vorversuche durchzuführen:

Anregungen zur abschließenden Diskussion 1. Herstellung von Stickoxiden: In einen Kolben wird Salpetersäure bis zu einer Höhe von 10 cm gefüllt. Dann wird das saubere, nicht zu kleine Kupferblech in die Säure geworfen und die Gasentwicklung abgewartet. Wenn genügend Luft verdrängt ist, wird ein Kolbenprober mit einem Schlauchstück am Ansatz befestigt (ein zweiter bereitgelegt) und werden je 10 ml des entstehenden Gases in den zwei Kolbenprobern aufgefangen. 2. Herstellung von Kohlenstoffmonoxid 50 ml Schwefelsäure werden im Wasserbad auf etwa 40°C erwärmt und in die Gasentwicklungsapparatur gefüllt. Darauf lässt man Ameisensäure tropfen und wartet die Gasentwicklung ab. Wenn genügend Luft verdrängt ist, können nacheinander die beiden Kolbenprober mit dem Stickoxiden angeschlossen und je 90 ml Kohlenstoffmonoxid aufgefangen werden. Der zweite Kolbenprober wird zur Seite gelegt, er dient als Vergleich. Man baut die Apparatur wie im oberen Bild gezeigt zusammen und schließt demnach einen mit Gas gefüllten und einen leeren Kohlbenprober an das Verbrennungsrohr mit dem Platinnetz oder Katalysator an. Das Edelmetallnetz (bzw. der Katalysator) ist kurz vor dem Versuch auszuglühen, um die Aktivierungsenergie zusätzlich zu reduzieren. Nun erhitzt man den Katalysator so lange, bis er an einer Stelle schwach glüht und leitet dann langsam das Gasgemisch darüber. Längs des Netzes, welches hell aufglüht, beobachtet man die Entfärbung des Gasgemisches. Eine vollständige Umsetzung ist wie ja auch in der Technik nicht zu erreichen. Deshalb bleibt die Gasphase im Allgemeinen ein wenig gelblich verfärbt. Oftmals kann man auch eine wandernde Flammenfront beobachten, deshalb etwas abdunkeln. Nach mehrmaligem Hin und Herschieben ist die Reaktion beendet. Die Volumenabnahme beträgt im allgemeinen 10 %. Mit den Abgasen können vorher und nachher Nachweise von Kohlenstoffdioxid (Kalkwasser) und Kohlenstoffmonoxid (ammoniakalische Silbernitratlösung) durchgeführt werden. So wird noch deutlicher, dass Kohlenstoffmonoxid eingesetzt wird und Kohlenstoffdioxid entsteht. Die Stickoxide müssen nicht nachgewiesen werden, sie sind vor der Reaktion an der deutlichen Gelbfärbung erkennbar, die nach der Reaktion nicht mehr so stark zu sehen ist (s.o.).

Anregungen zur abschließenden Diskussion Statt die Stickoxide und Kohlenstoffmonoxid einzusetzen, kann der Versuch auch mit Autoabgasen durchgeführt werden. So kann man sich die zwei Vorversuche sparen. Allerdings ist dann schon vor Reaktionsbeginn Kohlenstoffdioxid im Abgas enthalten und auch nachzuweisen. Die Umsetzung von Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid ist somit dann im Versuch nicht nachweislich gezeigt.

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